杜克大学发现新的电解质材料 助力开发固态电池

核心提示：该团队研究一种由银、锡和硒（Ag8SnSe6）制成的富有前景的候选材料。 据外媒报道，杜克大学（Duke University）的研究团队及其合作者发现了硫银锗矿（argyrodites）化合物的原子机制，使其成为固态电池电解质和热电能量转换器的有吸引力选项。 （图片来源：杜克大学）这些发现及制造材料使用的机器学习方法，或将推动实现家用电池墙和快充电动汽车等储能应用新时代。杜克大学机械工程和材料科学副教授Olivier Delaire表示：“这是一个以前从未被破解的难题，因为这些材料的各个构成部分都很大且复杂。研究人员已从原子层面梳理出相关机制，使这类材料成为固态电池创新领域的热门话题。”目前使用的锂离子电池大多采用电解液。然而，由于电池效率相对较低，而且电解液存在起火和爆炸的可能性，远非理想的解决方案。理论上来说，固态电池更加安全、更稳定、能量密度更高。其中一个主要竞争选项依赖于一类称为硫银锗矿的化合物。这些化合物由稳定的晶体框架构成，该晶体框架由两种元素组成，第三种元素可以在化学结构中自由移动。虽然银、锗和硫等元素为天然存在，但总体框架具有足够的灵活性，研究人员可以创建各种组合。在这项研究中，该团队研究一种由银、锡和硒（Ag8SnSe6）制成的富有前景的候选材料。研究人员结合使用中子和X射线，将这些极快移动的粒子从Ag8SnSe6样品的原子中弹开，以实时揭示其分子行为。研究人员Mayanak Gupta还开发了一种机器学习方法来理解数据，并创建了一个计算模型，以匹配使用第一性原理的量子力学模拟观测结果。结果表明，锡和硒原子创造了一个相对稳定的支架，但远非静态。晶体结构不断地弯曲，为带电银离子创造了窗口和通道，使其可在材料中自由移动。换句话说，锡和硒晶格保持固态，而银晶格几乎处于液态。Delaire表示：“银原子有点像弹珠，在很浅的井底四处移动并发出嘎嘎声，似乎晶体支架不坚固。这种材料具有介于液态和固态之间的双重性，是最令人惊讶的地方。”或许更重要的是，借助于将先进的实验光谱与机器学习相结合的方法，研究人员有可能在许多关键应用中加快取代锂离子电池。据介绍，这只是系列研究项目之一，这些项目旨在研究由不同配方组成的各种富有前景的硫银锗矿化合物。考虑到用于电动汽车电池的潜力，该团队尤其关注一种用锂取代银的组合。Delaire表示：“很多材料有助于在电池中实现非常快的传导，同时也是热电转换器的良好隔热体。因此，研究人员正在系统研究该化合物家族。这项研究为相关机器学习方法提供了基准，在短短几年内使模拟这些材料的能力取得了巨大进步。这将有助于以虚拟方式快速模拟新化合物，以找到最佳化合物配方。”